Mg-TMOx-H薄膜脱氢转变与原位TEM研究

Mg based hydrogen storage materials are very promising for practical applications owing to their high hydrogen capacity and good reversibility. However, MgH2 is thermodynamically stable and difficult to be dehydrogenated under moderate conditions. The de/hydrogenation kinetics of Mg/MgH2 was improved mainly by using nanostructure and catalysis, but it is unclear the dynamic microstructure transformations of Mg/MgH2 containing catalysts and the specific catalytic process, in particular the in situ details of the microstructural evolutions at atomic scale during the dehydrogenation. In this project we intend to design and prepare the Mg-TMOx hydrogen storage films containing transition metal oxides with oxygen vacancy (TMOx), and study the dehydrogenation of hydrogenated Mg-TMOx film using in situ TEM observations to disclose Mg-TMOx-H dehydrogenation transformations and possible multivalent catalytic mechanism of transition metal oxides. This study will provide direct micro and nano-scale evidence of transition metal oxide catalytic dehydrogenation of MgH2, and help us understand the dynamical and microscopic process of Mg-TMOx-H absorption and desorption of hydrogen . Thus the project has important significance for in-depth understanding of transition metal oxides on Mg/MgH2 catalytic mechanism and for the development of magnesium-based hydrogen storage materials with efficient catalytic system.

镁基储氢材料是很有实用前景的高容量可逆储氢材料，但氢化镁热力学较稳定，难于在温和条件下脱氢。目前主要通过纳米化和催化来改善Mg/MgH2的吸放氢动力学，但对含催化剂的Mg/MgH2脱氢过程中微观组织动态变化及催化作用的机理及具体过程尚不清晰，特别是在原子尺度范围上的结构演变和原位脱氢反应细节未见报导。本项目将设计并制备含氧缺位控制的多价态过渡族金属氧化物（TMOx）的Mg-TMOx储氢薄膜，利用原位透射电子显微学方法（TEM）研究Mg-TMOx薄膜氢化后的脱氢反应机理，揭示Mg-TMOx-H脱氢相变和可能的过渡族金属氧化物的多价态催化机制。研究结果将有助于了解Mg-TMOx-H的吸放氢相变的微观动态过程，提供过渡族金属氧化物对MgH2脱氢催化作用的微纳米及原子尺度的直接证据。对于深入认识过渡族金属氧化物对Mg/MgH2催化机理、发展高效催化体系的镁基储氢材料有重要指导意义。

镁基储氢材料是很有前景的高容量储氢材料，但氢化镁热力学较稳定而难于在温和条件下脱氢。主要通过纳米化和催化来改善Mg/MgH2的吸放氢动力学，但对含催化剂的Mg/MgH2脱氢过程中微观组织动态变化及催化作用的机理及具体过程尚不清晰。本项目设计并通过磁控溅射方法制备了一系列的Mg-TMOx薄膜，利用原位透射电子显微学方法（TEM）研究了Mg-TMOx薄膜氢化后的脱氢反应，以及含催化剂的复合薄膜在吸放氢前后的显微结构转变，以深入认识Mg-TMOx-H放氢相变和可能的多价态Ti的催化机制。通过项目组成员的共同努力，本项目已按时超额完成研究计划。基于本项目研究已发表SCI论文8篇，EI论文1篇，获发明专利3件，后续待发表SCI论文2-3篇。已培养毕业博士1名，硕士4名。在本领域重要的国际和国内会议上交流汇报了研究成果。研究结果发现含有不同的过渡族金属及其氧化物的纳米催化薄层的Mg/TMOx多层膜具有优异储氢特性，与纳米复合薄膜的特有结构分布和催化剂TM的多变化合价促进电子转移有关，并且首次创新的给出了直接的电子显微学证据，是目前该领域最新的研究报道。本项目的研究结果有助于我们深入认识Mg-TMOx-H的吸放氢相变的微观过程细节，对于揭示Mg-TMOx薄膜催化机理、发展新型镁基储氢材料有重要指导意义。